Study of the resonator automatically follows excitation frequency for a high performance vibration-powered generator

車両や人間の通行，機械の運転などにより不可避的に発生する振動を利用した振動発電はメンテナンスフリーであることが大きな特徴であり，機械装置やインフラ設備のモニタリングなどスマートシステムの個別電源としての利用が多い．一方で，振動発電は加振の振動数が振動体の固有振動数に一致する共振状態では高効率の発電が実現できるものの，加振振動数が固有振動数から離れるにつれ急激に発電効率が低下する．本研究では，加振振動数の変化に対して非常に簡単な機構で振動特性を変化させ，制御装置を組み込むことなく加振振動数に自動的に共振状態が追従する振動機構を提案・実現し，高効率の振動発電に有効な装置の基本技術を確立する．本研究で提案している装置の主要要素は，曲げとねじりの連成振動が生じる板状振動体であり，この連成振動に起因して振動体が振動方向と垂直にも動き板状の長さが変化することで，加振振動数に追従するようにその固有振動数を変化させる特徴を持つ．ただし，この現象が生じる基本原理が不明であり，現象の再現も不安定であることが課題である．これまでの研究から，板状振動体の中間に存在するクリアランスに加え，根元支持部に存在するわずかなクリアランスが自動共振追従現象，特に共振に近い状態の保持に効いていることがわかってきた．令和４年度は，これらのクリアランスを考慮した数値解析モデルを構築し，これまでの数値シミュレーションでは不可能であった共振に近い状態の保持を再現できた．また，この機構の動作が根元支持部に存在するクリアランスに極めてセンシティブであることも数値シミュレーションから判明し，実験において安定した自動共振追従現象の再現が困難であったことの証左ともなった．この数値シミュレーションの成功は研究進展の画期となり，自動共振追従現象を解明して設計法を確立する上で大きなステップとなった．

車両や人間の通行，機械の運転などにより不可避的に発生する振動を利用した振動発電はメンテナンスフリーであることが大きな特徴であり，機械装置やインフラ設備のモニタリングなどスマートシステムの個別電源としての利用が多い．一方で，振動発電は加振の振動数が振動体の固有振動数に一致する共振状態では高効率の発電が実現できるものの，加振振動数が固有振動数から離れるにつれ急激に発電効率が低下する．本研究では，加振振動数の変化に対して非常に簡単な機構で振動特性を変化させ，制御装置を組み込むことなく加振振動数に自動的に共振状態が追従する振動機構を提案・実現し，高効率の振動発電に有効な装置の基本技術を確立する．本研究で提案している装置の主要要素は，曲げとねじりの連成振動が生じる板状振動体であり，この連成振動に起因して振動体が振動方向と垂直にも動き板状の長さが変化することで，加振振動数に追従するようにその固有振動数を変化させる特徴を持つ．ただし，この現象が生じる基本原理が不明であり，現象の再現も不安定であることが課題である．これまでの研究から，板状振動体の中間に存在するクリアランスに加え，根元支持部に存在するわずかなクリアランスが自動共振追従現象，特に共振に近い状態の保持に効いていることがわかってきた．令和４年度は，これらのクリアランスを考慮した数値解析モデルを構築し，これまでの数値シミュレーションでは不可能であった共振に近い状態の保持を再現できた．また，この機構の動作が根元支持部に存在するクリアランスに極めてセンシティブであることも数値シミュレーションから判明し，実験において安定した自動共振追従現象の再現が困難であったことの証左ともなった．この数値シミュレーションの成功は研究進展の画期となり，自動共振追従現象を解明して設計法を確立する上で大きなステップとなった．